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Redes Industriais. Necessidade da indústria pela integração de equipamentos e dispositivos em todos os níveis de automação Necessidade de tecnologias de comunicação de dados especificamente desenvolvidas para atender os requisitos industriais. Redes Industriais. Objetivos:
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Redes Industriais • Necessidade da indústria pela integração de equipamentos e dispositivos em todos os níveis de automação • Necessidade de tecnologias de comunicação de dados especificamente desenvolvidas para atender os requisitos industriais.
Redes Industriais • Objetivos: • Melhorar o rendimento do controle de processos de uma indústria • Aumentar eficiência, qualidade e segurança no sistema produtivo • Facilitar a instalação dos equipamentos
Redes Industriais • Objetivos: • Fornecer diagnósticos rápidos e detalhados • Facilitar a manutenção • Configurar dispositivos com maior rapidez • Utilizar menor quantidade de fios • Reduzir custos
Redes Industriais • Histórico: • Década de 60: • Transmissão analógica (0-10V ou 4-20 mA). • Painel de instrumentos conectados diretamente aos transdutores ou atuadores. • Década de 70: • Transmissão digital (controle digital direto entre controlador e os dispositivos de entrada/saída). • Controlador Lógico Programável (CLP).
Redes Industriais • Histórico: • Década de 90: • Redes de controladores de lógica programável (controle distribuído – Fieldbus). • Controlador Programável (CP) e software supervisório central, que gerencia alarmes, receitas e relatórios. • Atualmente: • Redes que interligam dispositivos de campo inteligentes (sensores e atuadores), CLPs, etc.
Níveis Hierárquicos de Redes Industriais • Nível de campo: • Rede de dispositivos de campo (sensores, atuadores, etc.) • Nível de controle: • Rede de equipamentos inteligentes de controle como CLPs ou computadores • Nível de gerência: • Rede de equipamentos e sistemas inteligentes de controle como CLPs, SDCDs (Sistemas Digitais de Controle Distribuído), etc. • Neste nível há a troca de dados entre equipamentos e o sistema administrativo
Níveis de Redes Industriais • Nível 0 – Sensores e Atuadores – Instrumentação • Nível 1 – Dispositivos de Controle: PLCs, Remotas de sistemas digitais de controle distribuídos (SDCDs) • Nível 2 – Sistemas de Supervisão: Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), interface homem-máquina (IHM) e otimizadores de processo dentro do conceito de APC (Advanced Process Control)
Redes Industriais • Nível 3 – Gerenciamento da Produção: • MES (Manufacturing Execution System) • PIMS (Process Information Management System) • APS(Advanced Planning and Scheduling) • LIMS (Lab Information System) • Sistemas de Manutenção (Maintenance Management System) • Sistema de Gestão de Ativos (Asset Management System)
Redes Industriais • Nível 4 – Sistemas Integrados de Gestão Empresarial – Administração Corporativa • ERP – Enterprise Resource Planning • Nível 5 – Data Warehousing corporativos • Utilizado para armazenar informações relativas às atividades de uma organização em bancos de dados • EIS (Executive Information Systems) – tem como objetivo principal dar suporte à tomada de decisão.
Redes Industriais • Redes • Nível 2 – Databus (Computadores – Hosts) • Nível 1 – Fieldbus (Dispositivos inteligentes) • Nível 0 – Devicebus (E/S e periféricos), Sensorbus (dispositivos)
Redes Industriais • Sensorbus – rede utilizada para ligar sensores e atuadores. • Transferência rápida • Baixo custo • Distância máxima: 200 metros • Exemplo: AS-I e CAN
Redes Industriais • Devicebus – rede utilizada para conectar dispositivos mais genéricos como CLPs, remotas de aquisição de dados e controle, etc. • Transferência rápida • Distância máxima: 500 metros • Exemplo: DeviceNet, Profibus DP e ModbusPlus
Redes Industriais • Fieldbus – rede de equipamentos que desempenham funções específicas de controle. • Transferência mais lenta e opera com vários tipos de dados (analógicos, digitais, parâmetros, programas, informações para o usuário). • Distância: até 10 km • Exemplo: HART, Profibus FMS, Fieldbus Foundation
Redes Industriais • Databus – rede de comunicação que conecta os sistemas de supervisão aos sistemas informáticos de gestão. • Grande volume de dados • Transferência lenta • Exemplo: Ethernet
Redes Industriais • AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE • Originalmente concebida para interligar sensores e atuadores com operação somente de LIGA/DESLIGA • Utiliza cabo comum a todos os elementos da rede • Até 100 metros • Normas: EN50295, IEC 62026-2 • Sistema Mestre/Escravo (Varredura dos escravos) • 1 mestre por rede • 31 escravos
Redes Industriais • AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE • O mestre possibilita as funções de diagnóstico, monitoramento contínuo da rede, reconhecimento de falhas e atribuição de endereço correto quando um nó é removido para manutenção • É possível trocar ou adicionar escravos durante a operação normal, sem interferir na comunicação com os outros nós. Cada um destes dispositivos tem um endereço único na rede, devendo este estar entre o endereço 1 a 31
Redes Industriais • AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE
Redes Industriais • CAN – CONTROLLER AREA NETWORK • Desenvolvido originalmente pela BOSCH para integrar elementos inteligentes em veículos autônomos, com o intuito de eliminar a grande quantidade de fios nos automóveis Mercedes. • Padronizada pela ISO 11898 e 11519. • Protocolo de comunicação serial síncrono.
Redes Industriais • CAN – CONTROLLER AREA NETWORK • Apresenta as seguintes vantagens: • Simplificação do cabeamento (custo, confiabilidade, redução da necessidade de manutenção) • Flexibilidade (facilidade de implementação de modificações na estrutura da rede) • Velocidade de comunicação atendendo a requisitos de tempo real do sistema • Facilidades para acesso aos diversos nós da rede remotamente (monitorando, alterando dados e diagnosticando falhas) • A partir de 1991, vários fabricantes foram licenciados para a fabricação de chips para CAN
Redes Industriais • CAN – CONTROLLER AREA NETWORK • Características do Protocolo: • Priorização de mensagens; • Flexibilidade de configuração; • Recepção do multicast com sincronia de tempos; • Multimestre, produtor-consumidor; • Detecção e sinalização de erros; • Retransmissão automática de mensagens corrompidas assim que o barramento estiver ativo novamente; • Distinção entre erros provisórios e falhas permanentes dos nós.
Redes Industriais • CAN – CONTROLLER AREA NETWORK • Características do Protocolo: • Topologia: barramento ou estrela; • Taxa de transmissão: de 125 kbps ou 1 Mbps; • Comprimento máximo do barramento: 1 km para 125 kbps e 40m para 1 Mbps; • Número máximo de nós: 16; • Codificação de bits: NRZ (Non Return to Zero); • Meio de transmissão: usualmente par trançado ou fibra ótica
Redes Industriais • HART – Highway Addressable Remote Transducer • Desenvolvido pela Fisher Rosemount em meados da década de 1980 como um protocolo proprietário. • A partir de 1990, o HART tornou-se um padrão aberto. • HART é um protocolo digital, mas aceita também comunicação analógica no padrão 4-20mA. • Compatível com a enorme base instalada analógica existente no mundo, além de possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos 4-20 mA tradicionais. • Os dispositivos capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados smart.
Redes Industriais • HART – Highway Addressable Remote Transducer • Características do protocolo HART: • Meio físico: par trançado; • Taxa de Transmissão: 1200 bps; • Transmissão assíncrona a nível de caracteres UART (1 start bit, 8 bits de dados, 1 bit de paridade e 1 stop bit); • Tempo médio de aquisição de um dado: 378,5 ms; • Método de acesso ao meio: Mestre/escravo;
Redes Industriais • HART – Highway Addressable Remote Transducer • Características do protocolo HART: • Topologia: Ponto a ponto ou multidrop, onde todos os componentes são conectados pelo mesmo cabo. O protocolo permite o uso de até dois mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre secundário é geralmente representado por terminais hand-held de configuração e calibração;
Redes Industriais • HART – Highway Addressable Remote Transducer • Características do protocolo HART: • Modulação: O sinal Hart é modulado em FSK (Frequency Shift Key) e é sobreposto ao sinal analógico de 4-20 mA. Para transmitir 1 é utilizada a frequência de 1200 Hz. Para transmitir 0 é utilizada a frequência de 2400 Hz. A comunicação é bidirecional. O sinal FSK é contínuo em fase, não impondo nenhuma interferência sobre o sinal analógico.
Redes Industriais • HART – Highway Addressable Remote Transducer • A distância máxima do sinal HART é de cerca de 3000m com cabo com um par trançado blindado e de 1500m com cabo múltiplo com blindagem simples.
Redes Industriais • MODBUS • Desenvolvido e publicado pela Modicon Industrial Automation Systems em 1979 para uso do seu CLP, tornou-se um padrão de fato na indústria. • É um dos mais antigos protocolos utilizados em redes de controladores lógicos programáveis para aquisição de sinais de instrumentos e comandar atuadores usando uma porta serial. • Atualmente parte do grupo Schneider Electric, a Modicon colocou as especificações e normas que definem o Modbus em domínio público. • O protocolo é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas em automação industrial.
Redes Industriais • MODBUS • MODBUS é usualmente implementado usando RS232, RS422 ou RS485 sobre uma variedade de meios de transmissão. • A tecnologia de comunicação no protocolo é o mestre-escravo, sendo que somente um mestre e no máximo 247 escravos podem ser conectados à rede. • A comunicação é sempre iniciada pelo mestre, e os nós escravos não se comunicam entre si. O mestre pode transmitir dois tipos de mensagens aos escravos, dentro de uma mesma rede: • Mensagem tipo unicast: o mestre envia uma requisição para um escravo definido e este retorna uma mensagem-resposta ao mestre (requisição e resposta); • Mensagem tipo broadcast: o mestre envia a requisição para todos os escravos, e não é enviada nenhuma respostas para o mestre.
Redes Industriais • MODBUS • Existem dois modos de transmissão: • ASCII (American Code for Informastion Interchange), onde cada byte de mensagem é enviado como 2 caracteres ASCII • RTU (Remote Terminal Unit) onde cada byte da mensagem é enviado como 2 caracteres hexadecimais de 4 bits, que são selecionados durante a configuração dos parâmetros de comunicação. Eles definem o conteúdo dos campos da mensagem transmitida serialmente. • As topologias físicas usadas pelo MODBUS são: • Ponto a Ponto com RS-232 • Barramento Mutiponto com RS-485
Redes Industriais • MODBUS
Redes Industriais • MODBUS • Tipos de Protocolo MODBUS: • MODBUS TCP/IP: usado para comunicação entre sistemas de supervisão e controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido através de redes padrão Ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD. • MODBUS PLUS: usado para comunicação entre de controladores lógicos programáveis, módulos de E/S, chaves de partida eletrônica de motores, interfaces homem máquina etc. O meio físico é o RS-485 com taxas de transmissão de 1 Mbps. • MODBUS PADRÃO: é usado para comunicação dos CLPs com os dispositivos de entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicos inteligentes (IEDs) como relés de proteção, controladores de processo, atuadores de válvulas, etc., o meio físico é o RS-232 ou RS-485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo.
Redes Industriais • PROFIBUS – PROcess FIeld BUS • PROFIBUS foi concebida a partir de 1987 em uma iniciativa conjunta de fabricantes, usuários e do governo alemão. • A rede está padronizada através da norma DIN 19245 incorporada na norma européia Cenelec EN 50170 e também IEC61158 e IEC61784. • Padrão aberto de barramento de campo para uma larga faixa de aplicações em automação de fabricação e processos. • Pode atuar nos diversos níveis do processo industrial: ambiente de fábrica, processo e gerência.
Redes Industriais • PROFIBUS – PROcess FIeld BUS • Protocolos comunicações: • PROFIBUS DP (Descentralized Peripherical): é o mais usado dentre os protocolos. Caracterizado pela velocidade, eficiência e baixo custo de conexão. Foi projetado especialmente para comunicação entre sistemas de automação e periféricos distribuídos; • PROFIBUS FMS (Field Message Specification): é um protocolo de comunicação geral para as tarefas de comunicações solicitadas. Oferece muitas funções sofisticadas de aplicações para comunicação entre dispositivos inteligentes; • PROFIBUS PA (Process Automation): Define os parâmetros e blocos de funções dos dispositivos de automação de processo, tais como transdutores de medidas, válvulas e IHM (Interface Human Machine);
Redes Industriais • PROFIBUS – PROcess FIeld BUS • PROFINet (Profibus for Ethernet): Comunicação entre CLPs e PCs usando Ethernet/TCP-IP; • PROFISafe: para sistemas relacionados a segurança; • PROFIDrive: para sistemas relacionados a controle de movimento.
Redes Industriais • PROFIBUS – PROcess FIeld BUS • Os meios de transmissão:RS485, RS485-IS, MBP e a Fibra Óptica. • O RS485 é o mais empregado. Utilizando um cabo de par trançado, possibilita transmissões até 12 Mbits/s. Usado quando grandes velocidades são necessárias. O RS485-IS é um meio de transmissão a 4 fios para uso em áreas explosivas. • O MBP (Manchester code bus powered) é um meio de transmissão usado em aplicações na automação de processo que necessitem de alimentação através do barramento e segurança intrínseca dos dispositivos.
Redes Industriais • FOUNDATION Fieldbus • Padrão aberto que engloba diversas tecnologias aplicadas no controle de processos e automação industrial, tais como: processamento distribuído, diagnóstico avançado e redundância. • Sistema heterogêneo distribuído, composto por softwares de configuração e supervisão, equipamentos de campo, interfaces de comunicação e supervisão, fontes de alimentação pela própria rede que os interconecta. • Uma das funções dos equipamentos de campo é executar a aplicação de controle e supervisão do usuário que foi distribuída pela rede. Essa é a grande diferença entre FF e outras tecnologias como Hart ou Profibus, que dependem de um controlador central para executar os algoritmos Foundation Fieldbus.
Redes Industriais • FOUNDATION Fieldbus • O Foundation Fieldbus mantém muitas das características operacionais do sistema analógico 4-20 mA, tais como uma interface física padronizada da fiação, os dispositivos alimentados por um único par de fios e as opções de segurança intrínseca, mas oferece uma série de benefícios adicionais aos usuários. • Este protocolo, que segue o padrão IEC 61158, apresenta dois tipos de aplicação: H1 e HSE.
Redes Industriais • FOUNDATION Fieldbus • O FF H1 é uma rede de transmissão de dados em tempo real para comunicação com equipamentos de instrumentação e controle de plantas industriais, tais como transmissores atuadores e controladores, podendo, inclusive, ser utilizado em aplicações que requeiram especificações quanto aos requisitos de segurança intrínseca. • Possui taxa de transmissão de 31,25 Kbits/s e interconecta dispositivos de campo. • A rede FF HSE (High Speed Ethernet) é uma rede de transmissão que trabalha a 100 Mbits/s e fornece integração de controladores de alta velocidade (CLPs), servidores, subsistemas FF HI (via dispositivos de acoplamento) e estações de trabalho.
Redes Industriais • FOUNDATION Fieldbus • Características: • Segurança intrínseca para uso em áreas perigosas, com alimentação e comunicação pelo mesmo par de fios; • Topologia em barramento ou em árvore, com suporte a múltiplos mestres no barramento de comunicação; • Comportamento previsível (determinístico), mesmo com redundância em vários níveis; • Interfaces padronizadas entre os equipamentos; • Modelamento de aplicações usando linguagem de blocos funcionais; • Recomendado o uso de cabos STP desenvolvidos especialmente para o protocolo.